實(shí)訓(xùn)中心自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

（遼寧省基礎(chǔ)教育教研培訓(xùn)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110034）

[摘 要] 在現(xiàn)代倉(cāng)儲(chǔ)實(shí)訓(xùn)中心中，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)應(yīng)用日益廣泛。對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)相關(guān)設(shè)備型號(hào)和參數(shù)進(jìn)行了確定。堆垛機(jī)的單一認(rèn)址方式限制了堆垛機(jī)的運(yùn)行效率，在傳統(tǒng)控制方式的基礎(chǔ)上，采用激光測(cè)距和變頻器相結(jié)合的認(rèn)址方式，對(duì)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)。

[關(guān) 鍵 詞] 實(shí)訓(xùn)中心；自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)；堆垛機(jī)控制系統(tǒng)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G712 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A [文章編號(hào)] 2096-0603（2017）06-0070-02

自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)設(shè)計(jì)的主要目的是實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)空間最大化，存取過(guò)程自動(dòng)化、高效化。自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)一般由存儲(chǔ)系統(tǒng)、堆垛機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和貨品運(yùn)輸系統(tǒng)及配套基礎(chǔ)設(shè)施構(gòu)成。堆垛機(jī)是在導(dǎo)軌上以電力驅(qū)動(dòng)通過(guò)空間三維運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物直接收發(fā)的設(shè)備，其主要功能是完成貨品在貨位和出入庫(kù)輸送機(jī)之間的搬運(yùn)作業(yè)。

一、激光測(cè)距加光電檢測(cè)的定位控制

可靠、精確的認(rèn)址系統(tǒng)是堆垛機(jī)實(shí)現(xiàn)堆垛功能的前提，而高效的認(rèn)址方式是提高堆垛機(jī)運(yùn)行效率的關(guān)鍵。認(rèn)址系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩個(gè)功能，一是尋址功能，即導(dǎo)引堆垛機(jī)進(jìn)入正確位置；二是精準(zhǔn)停位功能，即在堆垛機(jī)找到預(yù)定位置后，能夠準(zhǔn)確停位并保證停位精度。

（一）認(rèn)址原理

堆垛機(jī)進(jìn)行貨品作業(yè)之前，需要先到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)。無(wú)論是在單機(jī)還是在聯(lián)機(jī)的情況下，堆垛機(jī)是否到達(dá)指定地點(diǎn)，需要進(jìn)行自我判定。因此，在巷道和貨位的關(guān)鍵位應(yīng)該設(shè)置堆垛機(jī)能夠識(shí)別的編碼巷道和貨位上采用的編碼方式通常為坐標(biāo)系形式。堆垛機(jī)的認(rèn)址檢測(cè)元件一般為紅外光電開(kāi)關(guān)，貨架每列上安裝一個(gè)水平認(rèn)址片，堆垛機(jī)上安裝垂直方向的層認(rèn)址片。當(dāng)堆垛機(jī)進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)或者垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，認(rèn)址片會(huì)對(duì)紅外光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行擋光，從而造成紅外光電開(kāi)關(guān)發(fā)生狀態(tài)變化，即可得到堆垛機(jī)的位置信息。

（二）認(rèn)址方式

目前自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)中常用的認(rèn)址器有三種，各認(rèn)址方式具有自身特點(diǎn)，見(jiàn)表。

（三）基于激光測(cè)距技術(shù)的水平認(rèn)址定位控制

綜合各認(rèn)址方案的精度、壽命、可靠性、成本等因素以及本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)目的，最終決定在堆垛機(jī)原有的水平激光測(cè)距認(rèn)址基礎(chǔ)上，再增加光電開(kāi)關(guān)的相對(duì)認(rèn)址方式。其中，以原有光水平激光測(cè)距傳感器為主認(rèn)址方式，以光電開(kāi)關(guān)為輔助認(rèn)址方式，對(duì)激光測(cè)距傳感器認(rèn)址誤差進(jìn)行檢測(cè)和修訂，從而降低作業(yè)誤差率，并且能夠有效提高堆垛機(jī)的運(yùn)作效率和運(yùn)行精度，最終實(shí)現(xiàn)精確定位的要求。此外，如果采用激光測(cè)距和光電開(kāi)關(guān)相結(jié)合的認(rèn)址方式也能夠?yàn)橄旅骈]環(huán)速度的控制方案提供硬件依據(jù)和保障。

（四）升降運(yùn)行認(rèn)址定位

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中，起升機(jī)的認(rèn)址方式采用光電開(kāi)光認(rèn)址器和旋轉(zhuǎn)編碼器相結(jié)合的認(rèn)址方式，認(rèn)址片分別安裝在堆垛機(jī)立柱和貨架各層相應(yīng)位置，通過(guò)載貨臺(tái)上的光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行檢測(cè)定位。

每個(gè)貨格中設(shè)置兩個(gè)認(rèn)址片，分別確定高位和地位兩個(gè)垂直位置。其中，高位認(rèn)址片用于識(shí)別堆垛機(jī)貨品入庫(kù)時(shí)放貨開(kāi)始位置和貨品出庫(kù)時(shí)取貨結(jié)束位置；低位認(rèn)址片作為貨品出庫(kù)時(shí)取貨開(kāi)始位置和貨品入庫(kù)時(shí)放貨結(jié)束位置。在垂直方向上設(shè)置檢測(cè)裝置，以保證貨叉可以在高位或低位及時(shí)停止，目前常采用的方式是多個(gè)光電開(kāi)關(guān)和一套認(rèn)址片相結(jié)合的方式。

本實(shí)訓(xùn)方案中，采用2個(gè)光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)貨叉高位和低位的檢測(cè)控制。下面以取貨為例介紹貨叉取貨流程。堆垛機(jī)檢測(cè)列數(shù)進(jìn)入指定貨格所在列后，如果貨格高于載物臺(tái)，此時(shí)載物臺(tái)開(kāi)始升起，當(dāng)檢測(cè)到SQ29時(shí)，載物臺(tái)停止，計(jì)數(shù)器加1，此時(shí)是貨叉的低位狀態(tài)，進(jìn)行取貨。取貨后載物臺(tái)緩慢上升，當(dāng)認(rèn)址片檢測(cè)到SQ30時(shí)停止，此時(shí)是貨叉在該貨格中的高位狀態(tài)。

二、基于激光測(cè)距的半閉環(huán)速度控制

現(xiàn)階段，堆垛機(jī)中常用的速度控制技術(shù)有：閉環(huán)控制、半閉環(huán)控制、開(kāi)環(huán)控制。其中，開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)缺乏比較速度信號(hào)，穩(wěn)定性較差，容易受到干擾，一般適用于對(duì)作業(yè)速度要求較低的自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)。半閉環(huán)或者閉環(huán)控制系統(tǒng)，增加了速度反饋環(huán)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)運(yùn)行速度的及時(shí)反饋。閉環(huán)控制系統(tǒng)中，只要相關(guān)參數(shù)選擇得當(dāng)，便可以獲得較高的穩(wěn)定性和精確性，可以滿(mǎn)足本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)對(duì)堆垛機(jī)高效、精確運(yùn)行的要求。

要實(shí)現(xiàn)對(duì)堆垛機(jī)速度和位移的控制，需要兩個(gè)部分的閉環(huán)控制，分別是堆垛機(jī)位移閉環(huán)控制和堆垛機(jī)運(yùn)行速度閉環(huán)控制。

（一）堆垛機(jī)位移的閉環(huán)控制

堆垛機(jī)位移的閉環(huán)控制是指當(dāng)堆垛機(jī)到達(dá)特定位置后，傳感器進(jìn)行當(dāng)前位置的測(cè)定，并且反饋出當(dāng)前位置和目的位置的距離信號(hào)，進(jìn)而按照事先設(shè)定的速度控制方案，調(diào)整輸出頻率，使堆垛機(jī)在到達(dá)目的地附近之前高速運(yùn)轉(zhuǎn)，到達(dá)目的位置附近時(shí)平穩(wěn)減速至較低速度。

（二）堆垛機(jī)運(yùn)行速度的閉環(huán)控制

閉環(huán)控制是指為了保證堆垛機(jī)以特定的速度運(yùn)行，需要通過(guò)傳感器對(duì)堆垛機(jī)的速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。論文中的系統(tǒng)采用的是速度控制的閉環(huán)控制，因此成為半閉環(huán)控制。

本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，位移閉環(huán)控制部分由激光測(cè)距傳感器代替，因?yàn)榧す鉁y(cè)距傳感器的精度較高，因此這部分采用開(kāi)環(huán)控制。將位移信號(hào)進(jìn)行微分處理可以得到速度信號(hào)，將該信號(hào)反饋給控制器，控制器通過(guò)對(duì)變頻器的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)速度的控制，該部分采取閉環(huán)控制。

堆垛機(jī)速度控制的前提是進(jìn)行速度調(diào)節(jié)方案的制訂，不同的運(yùn)行距離對(duì)應(yīng)不同的“時(shí)間—速度”曲線(xiàn)，需要對(duì)加速度大小和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行精確計(jì)算和控制。因?yàn)楸緦?shí)訓(xùn)方案中，大部分貨格尺寸相同，堆垛機(jī)的運(yùn)行距離一般為單個(gè)貨格距離長(zhǎng)度的整數(shù)倍，所以確定采用以下方案進(jìn)行速度控制：當(dāng)運(yùn)行距離為1個(gè)貨格時(shí)，堆垛機(jī)的運(yùn)行曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)速度加減曲線(xiàn)1；當(dāng)距離為2個(gè)貨格時(shí)，運(yùn)行曲線(xiàn)為標(biāo)準(zhǔn)速度加減曲線(xiàn)2。標(biāo)準(zhǔn)速度加減曲線(xiàn)通過(guò)實(shí)踐測(cè)得并存儲(chǔ)在變頻器中，PLC接受上位機(jī)命令后，根據(jù)運(yùn)行距離直接調(diào)用變頻器中的速度曲線(xiàn)控制堆垛機(jī)運(yùn)行。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)該“激光測(cè)距儀+變頻器”控制方法對(duì)堆垛機(jī)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出可以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、平滑的控制，尤其是可以實(shí)現(xiàn)大范圍調(diào)速要求，并且在電動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行時(shí)能獲得較為平穩(wěn)的輸出轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較短，可靠性較高。

三、安全保護(hù)措施

安全問(wèn)題一直是工業(yè)生產(chǎn)中的首要問(wèn)題，自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)涉及多種設(shè)備，并且大部分是自動(dòng)化控制，容錯(cuò)率較低。因此，在進(jìn)行最初設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到設(shè)備運(yùn)行的安全保護(hù)措施，一般包括終端限位、緩沖措施、超負(fù)荷保護(hù)、電路接地保護(hù)等，本實(shí)訓(xùn)方案在堆垛機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，還根據(jù)需要設(shè)置了其他保護(hù)措施。

（一）終端保護(hù)

終端保護(hù)裝置主要包括終端限速器、終端限位器和緩沖墊。其中，限位器主要是物理制動(dòng)的保護(hù)裝置。限速器是切斷堆垛機(jī)在該方向運(yùn)行的高速和中速保護(hù)裝置。緩沖墊是被動(dòng)防護(hù)裝置，一般采用高強(qiáng)的橡膠，防止堆垛機(jī)發(fā)生傾覆等。

（二）升降限位保護(hù)裝置

堆垛機(jī)升降限位保護(hù)裝置的功能類(lèi)似于水平方向的終端保護(hù)裝置，主要是為了防止載貨臺(tái)在起升和下降過(guò)程中的超限問(wèn)題。一般在立柱上端和下端設(shè)置急停檢測(cè)開(kāi)關(guān)和擋塊。當(dāng)載貨臺(tái)上升超過(guò)限度后會(huì)遮擋強(qiáng)行減速光電傳感器，載貨臺(tái)會(huì)強(qiáng)行減速到低速，如果載物臺(tái)繼續(xù)上升，會(huì)觸動(dòng)上行極限行程開(kāi)關(guān)，此時(shí)會(huì)切斷起升電源，反之亦然。

（三）聯(lián)鎖保護(hù)

聯(lián)鎖保護(hù)的目的在于保證堆垛機(jī)在任何狀態(tài)下，都最多只有一種運(yùn)動(dòng)方式，即堆垛機(jī)水平行走、垂直升降、貨叉伸縮三者之間互相聯(lián)鎖，最多只能存在一維的運(yùn)動(dòng)。

（四）貨位檢測(cè)控制

貨位檢測(cè)功能是針對(duì)貨叉制定的特殊保護(hù)措施，即將貨位認(rèn)址檢測(cè)作為貨叉運(yùn)動(dòng)的必要條件，只有確定堆垛機(jī)到達(dá)正確位置時(shí)才能進(jìn)行貨叉的伸縮控制。

（五）斷繩保護(hù)

當(dāng)堆垛機(jī)的提升鋼繩斷裂時(shí)，通過(guò)斷繩保護(hù)裝置迅速切斷垂直電動(dòng)機(jī)電源，能夠極大地提高安全保護(hù)性能。

（六）緊急停車(chē)

緊急停車(chē)按鈕設(shè)置在堆垛機(jī)控制柜上，緊急情況下可以通過(guò)該按鈕切斷堆垛機(jī)電源。

（七）過(guò)載保護(hù)

過(guò)載保護(hù)主要是防止載物臺(tái)貨品超重，當(dāng)貨品重量超出載貨臺(tái)承載限度時(shí)，載貨臺(tái)下方彈簧行程超限，從而切斷起升電動(dòng)機(jī)電源，并發(fā)出警告。

（八）報(bào)警信號(hào)

當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或緊急情況時(shí)，通過(guò)報(bào)警印象信號(hào)提醒工作人員。此外，在堆垛機(jī)啟動(dòng)前，也會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)提醒人員注意躲避。

（九）斷電保護(hù)

堆垛機(jī)的斷電保護(hù)主要是針對(duì)載貨臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)制定的，類(lèi)似于電梯的斷電保護(hù)功能，在發(fā)生突然斷電時(shí)，可以通過(guò)機(jī)械裝置制動(dòng)，將載貨臺(tái)鎖死在立柱上，防止載貨臺(tái)下降。

（十）載貨臺(tái)的安全檢測(cè)裝置

1.貨叉載貨檢測(cè)是通過(guò)在載貨臺(tái)上安裝鏡反射光電傳感器，通過(guò)信號(hào)能否通過(guò)載貨臺(tái)來(lái)判斷載貨臺(tái)上有無(wú)貨品，“通過(guò)”表明無(wú)貨，“通不過(guò)”表明有貨。

2.貨品體積檢測(cè)

貨品超寬檢測(cè)通過(guò)鐵桿上的傳感器向左右兩邊發(fā)射信號(hào)來(lái)判斷是否超長(zhǎng)，能接收到信號(hào)表明為超寬，不能接收到信號(hào)說(shuō)明未超寬。貨品高度檢測(cè)原理和貨品超寬檢測(cè)類(lèi)似，由于本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)中存在兩種不同規(guī)格的貨位（高度不同），因此在對(duì)貨品超高檢測(cè)時(shí)，也相應(yīng)安裝兩組傳感器，分別對(duì)應(yīng)不同貨位進(jìn)行檢測(cè)。

本文主要針對(duì)自動(dòng)化立體倉(cāng)庫(kù)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)堆垛機(jī)控制系統(tǒng)中堆垛設(shè)備進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在堆垛機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，主要采用激光測(cè)距傳感器，實(shí)現(xiàn)了堆垛機(jī)的定位和速度檢測(cè)，并且通過(guò)激光傳感器和變頻器相結(jié)合形成速度的閉環(huán)控制方式。另外，考慮到本實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的教學(xué)性要求，主控制面板采用了觸摸式操作屏控制方式。在運(yùn)輸機(jī)和AGV自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)的設(shè)計(jì)上，介紹了常用程序的流程設(shè)計(jì)，并且給出了關(guān)鍵部分的軟件和硬件配置以及流程設(shè)計(jì)。

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